燃氣輪機燃燒室專利分析與研究

趙傳亮，尚守堂，馬宏宇，柴 昕

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

0 引言

世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）的研究結(jié)果表明，全世界90%以上最新的研究成果首先通過專利文獻公開。在研究開發(fā)的各環(huán)節(jié)中注意運用專利文獻，發(fā)揮其作用，不僅能提高開發(fā)的起點和水平，而且能節(jié)約40%的研發(fā)經(jīng)費和60%的研發(fā)時間[1]。世界諸多跨國公司都非常注重對其自身專利技術(shù)的保護與對競爭對手專利技術(shù)的研究工作。美國微軟公司到目前為止已經(jīng)擁有了4萬余項專利，為其在世界各國操作系統(tǒng)領(lǐng)域的霸主地位提供了法律保障。電信設(shè)備行業(yè)巨頭中國華為公司擁有300多名專門從事知識產(chǎn)權(quán)工作的技術(shù)專家、專利工程師和負責版權(quán)、商標、許可等業(yè)務(wù)的律師。通過學習和繼承業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)，華為公司用最小的研發(fā)成本、最短的時間推出了大量業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品，滿足了客戶的需求，取得了較好市場收益[2]。另外，專利技術(shù)已經(jīng)成為許多跨國公司的重要戰(zhàn)略資產(chǎn)。2011年谷歌以125億美元的價格收購摩托羅拉移動，正是看好了其1.7萬余項專利，而在谷歌收購摩托羅拉移動前，僅擁有317項與移動設(shè)備有關(guān)的專利。收購摩托羅拉以后，谷歌不但具備了軟件和硬件制造能力，同時擁有了一批戰(zhàn)略性專利資產(chǎn)以應(yīng)對曠日持久的專利訴訟[3]。2010～2011年，英國RR公司與美國聯(lián)合技術(shù)公司的發(fā)動機專利技術(shù)糾紛，震驚了發(fā)動機制造界，最終由于2公司都存在侵犯對方專利的可能，而達成秘密和解[4]?？v觀該事件全過程，可見知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)成為燃氣輪機制造商謀求壟斷地位的有力武器，專利儲備以及專利風險應(yīng)對能力是未來競爭的基礎(chǔ)和保障。

本文針對燃氣輪機燃燒室專利文獻進行分析與研究，對于加快國內(nèi)燃氣輪機燃燒技術(shù)發(fā)展、促進高新技術(shù)應(yīng)用、加強國際競爭力、規(guī)避潛在的知識產(chǎn)權(quán)風險具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究方法

本項研究主要通過宏觀數(shù)理統(tǒng)計和專利技術(shù)分析方法，判斷燃氣輪機燃燒室專利申請的整體狀況以及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。

數(shù)理統(tǒng)計分析法是對專利文獻的外部特征（專利文獻的各種著錄項目）按照一定的指標進行統(tǒng)計，并對有關(guān)的數(shù)據(jù)進行解釋和分析。主要采用歷年專利申請數(shù)量、專利申請地域分布、主要專利權(quán)人分布、主要專利權(quán)人在中國的申請狀況、專利申請IPC分類號分布等分析方法，主要針對燃燒專業(yè)發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

2 專利檢索工具和范圍

本項研究利用的專利檢索工具為Thomason Innovation平臺中的德溫特（Derwent）檢索平臺。檢索范圍為中國、美國、加拿大、日本、韓國、俄羅斯、歐洲、世界知識產(chǎn)權(quán)組織等主要國家和地區(qū)官方專利局公開的專利文獻。檢索的時間范圍為1975年1月1日年起至2010年5月。

3 專利檢索結(jié)果

本項研究按照燃氣輪機燃燒室關(guān)鍵技術(shù)譜確定的關(guān)鍵詞和邏輯檢索式進行檢索，并經(jīng)過多次迭代，對相關(guān)專利文獻進行了篩選并對部分外文專利和在中國申請的專利進行全文下載分析。燃燒室專利檢索的總體狀況見表1。從表中可見，共檢索到燃燒室相關(guān)專利6168項，篩選后得到重點專利3193項，實際詳細分析專利328項，其中英文專利110項，中文專利218項，相關(guān)專利已進行去同族處理。

表1 燃燒室專利總體狀況 篇

由于專利申請延遲公開的特點，有大量2009～2010年申請的專利，在檢索時尚未公開，因此，可以認為對于2009～2010年的專利申請數(shù)量，真實數(shù)據(jù)要高于實際檢索到的數(shù)據(jù)。

4 燃燒室專利申請宏觀狀況分析

4.1 歷年專利申請數(shù)量分析

燃燒室專利歷年申請數(shù)量的趨勢如圖1所示，從圖中可見，從1975～2008年，燃燒室專利數(shù)量呈逐漸上升的趨勢。其中1990～1994年，1996～1999年，2000～2002年存在3個階段的專利數(shù)量大幅飆升現(xiàn)象。由于專利數(shù)量中有很大一部分來自于美國，可能與1988年美國開始實施的綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)計劃有關(guān)。該計劃對美國燃氣輪機研制影響重大，到2005年基本完成，耗資約60億美元，經(jīng)歷18年，以1995、2000年和2005財年分為3個階段，與專利數(shù)量大幅飆升的3個階段基本對應(yīng)。由此表明在IHPTET計劃各階段下燃燒技術(shù)都取得了較大發(fā)展，其部分研究成果已應(yīng)用到許多軍民用發(fā)動機的新型號研制和現(xiàn)役型號改進改型中，如民用發(fā)動機有GE90、GP7000、PW4084、PW6000、CFM56-7和AE3007等，軍用發(fā)動機有F404、F414、F110、F117、F118、F119、F135和F136等。2005年以后專利申請數(shù)繼續(xù)激增的原因是美國在2006年開始實施IHPTET計劃的后繼計劃——通用、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃，進一步提高了發(fā)動機燃燒室的技術(shù)水平。而2008～2010年的專利申請數(shù)據(jù)下降是由于該專利分析工作開展于2010年，而專利申請有延遲公開的特點，因此該時段的數(shù)據(jù)下降并不能真實體現(xiàn)實際的專利申請情況。

圖1 燃燒室專利申請數(shù)量趨勢

4.2 專利申請地域分布分析

圖2 燃燒室專利地域分布

燃燒室專利地域分布如圖2所示。從圖中可見，燃燒室領(lǐng)域的專利主要分布區(qū)域集中在美國、歐洲和日本，這與世界上發(fā)動機的主要制造商GE、聯(lián)合技術(shù)、RR、三菱重工等公司的所屬地和產(chǎn)品銷售情況相對應(yīng)，同時在中國申請的相關(guān)專利也很多，由此表明了國外競爭對手對中國市場的關(guān)注和重視。

4.3 主要專利權(quán)人分布分析

燃燒室主要專利權(quán)人分布狀況如圖3所示。從圖中可見，1994年以前各公司的專利申請量比較稀少，1994年以后專利數(shù)量開始大幅增長，其中GE公司的專利申請數(shù)量遠遠超越了其他競爭對手的，2001年以后GE公司在燃燒室領(lǐng)域樹立了難以撼動的霸主地位；德國的西門子和日本三菱重工公司在燃燒室領(lǐng)域的專利主要集中在重型地面燃氣輪機方面，其專利創(chuàng)新實力與美國聯(lián)合技術(shù)公司的大體相當；RR公司在燃燒室領(lǐng)域的創(chuàng)新實力相對較弱。

圖3 燃燒室主要專利權(quán)人分布狀況

4.4 主要專利權(quán)人在中國的申請分析

主要專利權(quán)人在中國的申請狀況如圖4所示。從圖中可見，聯(lián)合技術(shù)公司很早就開始在中國申請專利，中國于1985年制定實施《專利法》，該公司從1986年就開始在中國布局燃燒室領(lǐng)域的專利，表明該公司對中國市場的重視；GE公司從1989年開始在中國申請燃燒室領(lǐng)域的專利，2003年后專利申請量開始大幅增加，特別是2007年以后專利申請增加更為明顯，表明其可能針對中國市場開始進行專利布局和封鎖，可以預計GE公司今后還將加大在中國申請專利的力度。而英國的RR公司多年來一直很少在中國申請燃氣輪機燃燒室領(lǐng)域?qū)＠?，這也提示中國的研究人員可以無償使用RR公司在國外申請的很多燃燒室領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)。

圖4 燃燒室主要專利權(quán)人在中國申請狀況

4.5 專利申請IPC分類號分布分析

燃燒室主要專利技術(shù)分類狀況見表2。從表中可見，IPC大組分類號F23R03領(lǐng)域的專利分布密集，該領(lǐng)域涉及主燃燒室設(shè)計、貧油預混預蒸發(fā)（LPP）、富油-淬熄-貧油燃燒（RQL）、多點噴射（LDI）、駐渦燃燒（TVC）等技術(shù)，是國外發(fā)動機制造商重點關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域；F02C領(lǐng)域的專利主要涉及燃燒室冷卻、燃氣控制、燃油控制、預混燃燒、級間燃燒等技術(shù)；FO1D領(lǐng)域主要涉及燃油噴嘴設(shè)計和冷卻技術(shù)等。

表2 燃燒室主要專利技術(shù)分類狀況[5]

5 燃燒室專利申請技術(shù)狀況分析

根據(jù)專利申請IPC分類號分布，重點從低排放燃燒室氣動設(shè)計、火焰筒冷卻、低排放燃燒室燃油噴射的主要技術(shù)發(fā)展路線進行分析。

5.1 低排放燃燒室氣動設(shè)計技術(shù)

隨著地面燃氣輪機以及民機市場的飛速發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，人們對于燃氣輪機和燃氣輪機的排放問題越來越關(guān)注。從某種意義上說，降低排放成了近年來燃燒室設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展的推動力。

目前在研、在用的低排放技術(shù)主要有分級燃燒、多點噴射（LDI）、貧油預混預蒸發(fā)（LPP）、富油-淬熄-貧油燃燒（RQL）、駐渦燃燒（TVC）等。

5.1.1 分級燃燒技術(shù)

威斯丁豪斯公司于1977年在美國申請的US4112676號專利公開了1種軸向分級燃燒概念，如圖5所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該燃燒室前部為擴散燃燒室，后部噴入預混氣為預混燃燒室，采用該技術(shù)的燃燒室可以大大降低NOx的排放。

5.1.2 貧油預混燃燒技術(shù)聯(lián)合技術(shù)公司于1978年在美國申請的US4081957號專利公開了1種貧油預混燃燒技術(shù)，如圖6所示。該專利通過在燃燒室前部增加預混噴嘴和預混管道達到燃氣預混的效果，采用該技術(shù)后，可以達到提高燃燒效率和降低污染物排放的效果。

5.1.3 富油-淬熄-貧油燃燒技術(shù)威斯丁豪斯公司1984年在美國申請的US4787208號專利公開了1種基于富油-淬熄-貧油燃燒（RQL）低排放燃燒技術(shù)，如圖7所示。該專利通過在火焰筒頭部加入大量的燃油降低火焰溫度，然后通過在火焰筒后面加入大量的摻混空氣來實現(xiàn)完全燃燒并降低火焰溫度。這樣，整個過程中火焰溫度均比較低，從而實現(xiàn)了降低NOx排放的目的。目前這種RQL技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在了PW公司的PW6000系列發(fā)動機中。

圖5 US4112676專利[6]

圖6 US4081957專利[7]

圖7 US4787208專利[8]

5.1.4 多點噴射燃燒技術(shù)

日立公司于1987年在日本申請的JP880206號專利采用了多點噴射燃燒技術(shù)來降低排放，如圖8所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該專利通過采用多點的預混方式來實現(xiàn)低排放燃燒。工作時，火焰筒中間低質(zhì)量分數(shù)的燃料混氣高速進入火焰筒內(nèi)，這樣可以保證燃料燃燒時火焰溫度低，停留時間短，只產(chǎn)生少量的NOx排放物，而高質(zhì)量分數(shù)的燃料混氣環(huán)繞在低質(zhì)量分數(shù)的燃料混氣周圍，實現(xiàn)火焰筒的點火。

多點噴射燃燒技術(shù)出現(xiàn)以后，美國通GE公司又發(fā)明了另1種多點噴射燃燒形式，該技術(shù)在GE公司被稱為雙環(huán)預混旋流（TAPS）燃燒室，其中CN100416063專利如圖9所示。圖中的106所示位置就是每個雙環(huán)預混裝置上帶有的沿周向分布的大量小孔，這些小孔形成了實質(zhì)上的多點噴射燃燒形式。GE公司已將研發(fā)的TAPS燃燒室應(yīng)用于波音787飛機配裝的GEnx發(fā)動機上。目前，TAPS技術(shù)代表了當今世界上最為先進的低排放燃燒技術(shù)之一。

5.1.5 駐渦燃燒技術(shù)

GE公司于2000年在美國申請的US616258號專利公開了1種駐渦燃燒技術(shù)，如圖10所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該技術(shù)主要通過駐渦腔進行火焰的穩(wěn)定，而在主流路中加入大量的空氣，提高火焰速度，降低停留時間，降低NOx排放。目前，駐渦燃燒技術(shù)的專利基本上為GE公司所壟斷。

值得一提的是，目前，GE公司沒有在中國申請駐渦燃燒室相關(guān)的專利保護，并且早已過了專利優(yōu)先權(quán)期，在中國可以在軍民機燃燒室的設(shè)計中借鑒使用。

圖8 JP880206專利[9]

圖9 CN100416063專利[10]

圖10 US616258專利[11]

目前，各種低排放燃燒技術(shù)都有成功使用的案例，具體適用范圍要根據(jù)使用要求及技術(shù)水平?jīng)Q定。應(yīng)及時跟蹤國外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，有重點地開展相關(guān)研究工作，找到適合自身發(fā)展的低排放燃燒技術(shù)。根據(jù)此次開展的燃燒室專利分析研究結(jié)果，低排放燃燒室技術(shù)的發(fā)展演進如圖11所示。

圖11 低排放燃燒技術(shù)發(fā)展演進

5.2 火焰筒冷卻技術(shù)

從發(fā)動機技術(shù)開始發(fā)展以來，直到2010年還不斷有新的冷卻技術(shù)專利申請，其主要原因是隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，燃燒室進出口溫度均越來越高，火焰筒的熱負荷越來越大，而用于冷卻的空氣量卻越來越吃緊，因此，對于先進冷卻技術(shù)的研究始終沒有停止。

目前申請的冷卻技術(shù)的專利主要如下。

5.2.1 多孔層板（對流冷卻）技術(shù)

對流冷卻是使用最早的冷卻技術(shù)之一，但早期的對流冷卻技術(shù)的冷卻效率相對較低，隨著加工技術(shù)的不斷進步，一些更為先進的對流冷卻技術(shù)進入工程使用中。

RR公司1974年在英國申請的GB53892號專利公開了1種用于加強對流換熱的多孔層板冷卻技術(shù)，如圖12所示。這是目前RR公司仍在使用的1種專利技術(shù)。其缺點是加工成本高，維修性差。

5.2.2 氣膜冷卻技術(shù)

氣膜冷卻是使用較早的冷卻技術(shù)之一。多年來，不斷有各種新形式的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)投入使用。

GE公司于1975年在美國申請的US4050241號專利公布了1種火焰筒冷卻形式，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該冷卻形式的優(yōu)點是壁面剛度好、溫度分布均勻。

圖12 GB53892號專利[12]

5.2.3 發(fā)散冷卻技術(shù)

發(fā)散冷卻技術(shù)最先用于高壓渦輪部件的冷卻，開始用于燃燒室部件時，主要是為了解決局部高溫的問題。近年來，隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，加工效率不斷提高，促進了多斜孔發(fā)散冷卻技術(shù)在燃燒室部件的應(yīng)用。其中，GE公司在GE90以及GEnx發(fā)動機燃燒室上都成功應(yīng)用了該技術(shù)。

GE公司1983年在美國申請的US5233828號專利公開了1種帶有多斜孔發(fā)散冷卻的火焰筒壁，如圖14所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該壁面的優(yōu)點是壁面溫度低且分布均勻。

近年來關(guān)于發(fā)散冷卻技術(shù)的專利主要集中在開孔的規(guī)律以及開孔的形式上。比如阿爾斯通公司2004年在歐洲專利組織申請的EP0959228專利公開了1種帶有異型孔的發(fā)散冷卻技術(shù)，如圖15所示。根據(jù)專利技術(shù)說明書，該專利的優(yōu)點是可以大大提高冷卻效率，節(jié)省冷卻空氣量，但這種專利技術(shù)對加工水平的要求非常高。

5.2.4 復合冷卻技術(shù)

復合冷卻技術(shù)通常是上面提到對流、氣膜、發(fā)散、沖擊4種冷卻技術(shù)或其中幾種冷卻技術(shù)的組合。通過多種冷卻技術(shù)的組合，可以充分發(fā)揮每種冷卻技術(shù)的優(yōu)點，提高冷卻效率。目前在役的很多發(fā)動機都采用了復合冷卻技術(shù)。

日本科研人員1985年在日本申請的JP6071055號專利涉及1種沖擊+對流+多斜孔發(fā)散冷卻的技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖16所示。該專利就是1種復合冷卻技術(shù)應(yīng)用的具體體現(xiàn)，根據(jù)專利介紹，其優(yōu)點是冷卻效率高，火焰筒壁面溫差小，使用壽命長。

圖13 US4050241號專利[13]

圖14 US5233828專利[14]

圖15 EP0959228專利[15]

圖16 JP6071055專利[16]

目前各種冷卻技術(shù)都有在航空發(fā)動機中成功使用的案例，應(yīng)根據(jù)燃燒室的使用要求及技術(shù)基礎(chǔ)相應(yīng)選擇。綜合此次燃燒室專利分析研究結(jié)果，冷卻專利技術(shù)的發(fā)展演進如圖17所示。

圖17 冷卻專利技術(shù)的發(fā)展演進

5.3 低排放燃燒室燃油噴射技術(shù)

噴嘴及燃油噴射的性能直接影響了燃燒室的污染物排放特性，因此，各公司對于噴嘴的設(shè)計也非常重視。

5.3.1 單旋流氣動霧化噴嘴

聯(lián)合技術(shù)公司1983年 在 美 國 申 請 的US4418543專利公開了1種氣動霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖18所示。其特點是在傳統(tǒng)離心噴嘴外側(cè)采用1級旋流葉片增加同向旋轉(zhuǎn)的渦流空氣，其好處是可以降低發(fā)動機排放，降低噴嘴表面積炭。

5.3.2 雙旋流氣動霧化噴嘴

GE公司于1989年在英國申請了GB2211596號專利介紹了1種雙旋流氣動霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖19所示。由專利技術(shù)說明書可知，該技術(shù)主要通過雙旋流的強力剪切作用，加強對燃料的霧化效果。

5.3.3 多點直接噴射

聯(lián)合技術(shù)公司于1993年申請的WO9312388號專利公開了1種多點直接噴射供油技術(shù)，如圖20所示。其優(yōu)點是供油均勻，可以消除局部熱區(qū)，進而可以降低NOx污染物的排放。

圖18 US4418543專利[17]

圖19 GB2211596專利[18]

圖20 WO9312388專利[19]

5.3.4 多旋流氣動霧化噴嘴

GE公司于2000年申請的US6662565號專利公開了1種多旋流燃油霧化噴嘴，如圖21所示。其優(yōu)點是燃油霧化均勻，有利于提高燃燒效率，降低污染物排放。

GE公司于2001年在歐洲申請的EP1186832號專利公布了1種用于低排放燃燒室的燃油噴射及混合技術(shù)，如圖22所示。該技術(shù)應(yīng)用于GE公司的TAPS燃燒室上。其結(jié)構(gòu)實質(zhì)為1種多點噴射與多旋流結(jié)合的燃油噴嘴。目前，TAPS技術(shù)代表了當今世界上最為先進的低排放燃燒技術(shù)之一。

據(jù)對所有檢索到專利的分析結(jié)果，低污染燃燒室燃油噴射技術(shù)的演進如圖23所示。

圖21 US6662565專利[20]

圖22 EP1186832專利[21]

圖23 低污染燃燒室燃油噴射專利技術(shù)的演進

6 結(jié)束語

（1）燃燒室專利申請數(shù)量近年呈現(xiàn)快速增加趨勢，說明該技術(shù)領(lǐng)域仍有大量高新技術(shù)出現(xiàn)；

（2）燃燒專利申請數(shù)量以美國GE、英國RR、美國聯(lián)合技術(shù)、德國西門子等公司為主，說明這幾大公司掌握著最為先進的燃燒技術(shù)；

（3）近些年，國外公司在中國申請的專利數(shù)量增加很快，說明了其對于中國市場的重視程度在增加；

（4）燃燒室設(shè)計、貧油預混預蒸發(fā)（LPP）、富油-淬熄-貧油燃燒（RQL）、多點噴射（LDI）、駐渦燃燒（TVC）等技術(shù)是國外發(fā)動機制造商重點關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域；

（5）各種低排放燃燒技術(shù)都有成功使用的案例，具體采用何種低排放燃燒技術(shù)要根據(jù)使用要求及自身技術(shù)水平?jīng)Q定；

（6）火焰筒發(fā)散冷卻和復合冷卻技術(shù)是較新的冷卻技術(shù)，應(yīng)重點開展相關(guān)研究工作；

（7）多點噴射與多旋流氣動霧化裝置是近些年來專利申請數(shù)量較多的燃油噴射技術(shù)，應(yīng)重點進行研究。

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